Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Информацию о неразрушающем контроле лопаток газотурбинных двигателей см. В разделе « Тепловая акустическая визуализация» .
Рис. 1. Внизу: первые трехмерные термоаустические изображения биологической ткани (почки ягненка). Вверху: МРТ той же почки.

Термоакустическая визуализация была первоначально предложена Теодором Боуэном в 1981 году в качестве стратегии изучения абсорбционных свойств тканей человека с использованием практически любого вида электромагнитного излучения . [1] Но Александр Грэхем Белл первым сообщил о физическом принципе, на котором основано термоакустическое изображение столетием раньше. [2] Он заметил, что слышимый звук можно создать, освещая прерывистый луч солнечного света на резиновом листе. Вскоре после публикации работы Боуэна другие исследователи предложили методику термоакустической визуализации с использованием микроволн. [3]В 1994 году исследователи использовали инфракрасный лазер для получения первых термоакустических изображений оптического поглощения в ближней инфракрасной области в фантоме, имитирующем ткань , хотя и в двух измерениях (2D). [4] В 1995 году другие исследователи сформулировали общий алгоритм реконструкции, с помощью которого двумерные термоакустические изображения могут быть вычислены по их «проекциям», то есть термоакустической компьютерной томографии (TCT). [5] К 1998 году исследователи из Медицинского центра Университета Индианы [6] расширили TCT до 3D и использовали импульсные микроволны для получения первых полностью трехмерных (3D) термоакустических изображений биологической ткани [иссеченная почка ягненка (рис. 1)]. [7]В следующем году они создали первые полностью трехмерные термоакустические изображения рака груди человека, снова с использованием импульсных микроволн (рис. 2). [8] С тех пор термоакустическая визуализация приобрела широкую популярность в исследовательских учреждениях по всему миру. [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] По состоянию на 2008 год три компании разрабатывали коммерческие термоакустические системы визуализации - Seno Medical, [16] Endra, Inc. [17] и OptoSonics, Inc. [18]

Рис. 2: Первое трехмерное термоакустическое изображение рака груди. Слева направо: аксиальный, коронарный и сагиттальный виды рака (стрелки).

Производство термоакустических волн [ править ]

Звук, который распространяется как волна давления , может возникать практически в любом материале, включая биологическую ткань, всякий раз, когда поглощается изменяющаяся во времени электромагнитная энергия. Стимулирующее излучение, которое вызывает эти термически генерируемые акустические волны, может находиться в любом месте электромагнитного спектра, от ионизирующих частиц высокой энергии до радиоволн низкой энергии. Термин «фотоакустический» (см. Фотоакустическая визуализация в биомедицине ) применяется к этому явлению, когда стимулирующее излучение является оптическим, в то время как «термоакустический» является более общим термином и относится ко всем источникам излучения, включая оптические.

Процесс генерации термоакустических волн изображен на рисунке 3. Его можно понять как четырехэтапный процесс:

Рис. 3. Схематическое изображение термоакустической визуализации.
  1. Биологическая ткань облучается источником энергии, который поглощается организмом. Источник энергии не является специфическим, но обычно состоит из видимого света , ближнего инфракрасного диапазона , радиоволн или микроволн .
  2. Поглощенная энергия преобразуется в тепло, которое повышает температуру ткани, обычно менее чем на 0,001 градуса Цельсия.
  3. Повышение температуры ткани заставляет ткань увеличиваться в объеме, хотя и незначительно.
  4. Это механическое расширение создает акустическую волну, которая распространяется во всех направлениях от места поглощения энергии со скоростью звука в биологической ткани, приблизительно 1,5 мм в микросекунду.

Когда ткань облучается импульсом, акустические частоты , характеризующие акустическую волну, находятся в диапазоне от нуля до 1 / (ширина импульса). Например, импульс длительностью 1 микросекунда создает акустические частоты от нуля до приблизительно 1 мегагерца (МГц). Более короткие импульсы производят более широкий диапазон акустических частот. Частоты, превышающие 1 МГц, называются ультразвуковыми и также используются в медицинских ультразвуковых исследованиях .

Принципы формирования изображения [ править ]

Рис. 4: Типовые приборы для термоакустической визуализации.

Любому устройству термоакустической визуализации требуется источник электромагнитного излучения, будь то лазер или микроволновая антенна , для доставки энергии к изучаемой анатомии, а также один или несколько акустических детекторов, акустически связанных с внешней поверхностью анатомии, как показано на рис. 4.

Рис. 5: За заданное время полета (t) акустические волны будут приходить к преобразователю от всех поглотителей, равноудаленных от преобразователя (пунктирная синяя линия).

Типичный акустический детектор представляет собой ультразвуковой преобразователь , который обычно изготавливается из пьезоэлектрического материала, который преобразует обнаруженное давление в электрический сигнал. Термоакустические волны индуцируются внутри анатомии везде, где происходит поглощение, и сила этих термоакустических волн пропорциональна энергии, поглощаемой тканью. Некоторые из этих волн распространяются по анатомии в течение некоторого промежутка времени ( время пролета ), прежде чем будут обнаружены одним или несколькими акустическими преобразователями. Точное время пролета пропорционально расстоянию между местом поглощения и датчиком, если на данный момент предполагается, что каждый датчик является точкой.детектор. Для любого заданного времени пролета каждый датчик будет принимать сумму термоакустических волн, возникающих на том же расстоянии от рассматриваемого детектора, как показано на рис. 5. По этой причине возникает неоднозначность при попытке локализовать место поглощения. с точечным преобразователем. Для смягчения этой неоднозначности использовались различные стратегии.

Геометрия детектора [ править ]

Были использованы три общие конфигурации детекторов: сферически сфокусированный преобразователь; линейный (или криволинейно-линейный) массив преобразователей, сфокусированных в одном измерении; или двумерный массив несфокусированных преобразователей. Как правило, один сфокусированный датчик может отображать одну линию через трехмерный объем. Линейный (1D) массив, прямой или изогнутый, может отображать 2D- плоскость , но для изображения полного 3D- объема требуется 2D-массив преобразователей.

Сфокусированный преобразователь [ править ]

Рис. 6: Сферически сфокусированный датчик.

Сферически сфокусированный преобразователь наиболее чувствителен к термоакустическим волнам, возникающим вдоль линии, проходящей через его фокус . Информация о времени пролета используется для оценки силы термоакустического сигнала вдоль этой линии. 2D-изображение может быть построено построчно, перемещая сфокусированный преобразователь в сторону по линейному пути. Трехмерное изображение может быть построено путем сканирования преобразователя по прямолинейному пути в двухмерной плоскости. [19] [10] Способность различать термоакустические сигналы вдоль линии фокуса ( осевое разрешение) превосходит способность различать термоакустические сигналы поперек линии фокуса ( поперечноеразрешающая способность). По этой причине латеральное пространственное разрешение в три-четыре раза хуже, чем осевое пространственное разрешение при использовании этого подхода.

Линейный массив [ править ]

Рис. 7: Линейная матрица преобразователей, используемая для изображения двухмерной плоскости.

Матрицы линейных преобразователей (как изогнутые, так и прямые) обычно используются в обычном медицинском ультразвуке . Они доступны в самых разных размерах и формах. [11] Они легко адаптируются для использования в термоакустической визуализации. На рисунке 7 показано, как линейный массив используется для построения 2D термоакустических изображений. Массив состоит из ряда элементов (64–256), которые сфокусированы в вертикальном измерении, чтобы поддерживать максимальную чувствительность в пределах 2D-плоскости, выходящей наружу от передней поверхности массива. Термоакустические сигналы в плоскости локализуются путем вычисления времени пролета от каждой позиции в плоскости до каждого элемента решетки (стрелки на рис. 7). [20] [12]

2D-массив [ править ]

Рис. 8: Первый термоакустический 3D-сканер мелких животных.
Рис. 9: Трехмерное изображение TCT сосудистой сети в голове мыши.

Чтобы получить достаточно термоакустических данных, чтобы сформировать точную трехмерную карту электромагнитного поглощения, необходимо окружить анатомию, отображаемую на экране, двумерным массивом датчиков. Первый в мире термоакустический 3D-сканер животных (рис. 8: левая панель) добился этого, объединив цилиндрический массив из 128 преобразователей (рис. 8: центральная панель) с вращением визуализируемого животного вокруг вертикальной оси. Конечным результатом было получение термоакустических данных по поверхности сферы, окружающей изображаемое животное (рис. 8: правая панель). [21]Это устройство было способно визуализировать структуры размером до 1/3 миллиметра. Анимированное трехмерное изображение сосудистой сети в голове мыши показано на рис. 9. Это анимированное изображение было получено с использованием ближнего инфракрасного излучения на длине волны 800 нм, где оптическое поглощение кровью выше, чем окружающими тканями. Поэтому предпочтительно визуализировать сосудистую сеть. Микроволны также использовались для формирования трехмерных термоакустических изображений груди человека. Одно из первых устройств для этого изображено на рис. 10. Оно состояло из массива из восьми волноводов, которые направляли микроволновую энергию в грудь. Матрица преобразователей вращалась синхронно с волноводами, чтобы получить достаточно данных для реконструкции внутренних структур груди. На рисунке 11 показана анимация типичного рисунка железистой ткани нормальной груди.

Рис.10: Схематический чертеж первого в мире термоаокустического 3D-сканера груди.


Рис.11: Трехмерное термоакустическое изображение груди человека с использованием микроволн для визуализации нормальной железистой ткани груди.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Боуэн Т. Термоакустическая визуализация мягких тканей, вызванная излучением. Proc. Симпозиум IEEE по ультразвуку 1981 г .; 2 : 817-822.
  2. ^ Белл, AG. О производстве и воспроизведении звука светом. Являюсь. J. Sci. 1880; 20 : 305-324.
  3. ^ Olsen RG и Lin JC. Акустическая визуализация модели руки человека с помощью импульсного микроволнового излучения. Биоэлектромагнетизм 1983; 4 : 397-400.
  4. ^ Ораевского А.А., Жак SL, Эсеналии RO, Tittel FK . Лазерная птоакустическая визуализация биологических тканей. Proc. SPIE 1994; 2134A : 122-128.
  5. ^ Крюгер RA, Лю PY и Fang Y. Фотоакустическая Ультразвук (PAUS) - Реконструкция томографии. Медицинская физика 1995; 22 (10) : 1605-1609.
  6. ^ [1]
  7. ^ Kruger RA, Kopecky KK, Aisen AM, Reinecke DR, Kruger GA, Kiser Jr W. Термоакустическая компьютерная томография - новая парадигма медицинской визуализации Радиология 1999, 211 : 275-278.
  8. Перейти ↑ Kruger RA, Miller KD, Reynolds HE, Kiser Jr WL, Reinecke DR, Kruger GA. Повышение контрастности рака груди in vivo с помощью термоакустической КТ на частоте 434 МГц. Радиология 2000; 216 : 279-283.
  9. ^ Фотоакустическая визуализация в биомедицине
  10. ^ [2]
  11. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2008-11-02 . Проверено 2 ноября 2008 . CS1 maint: не рекомендуется параметр ( ссылка ) CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  12. ^ [3] [4]
  13. ^ [5]
  14. ^ [6]
  15. ^ [7]
  16. ^ [8]
  17. ^ "ENDRA Life Sciences Inc" . endrainc.com . Проверено 11 февраля 2020 .
  18. ^ [9]
  19. ^ Сюй М. и Ван LH. Фотоакустическая визуализация в биомедицине. Обзор научных инструментов 2006; 77 : 041101.
  20. ^ Крюгер RA, Кайзер Jr WL, Рейнеке DR, Крюгер GA. Термоакустическая компьютерная томография с использованием стандартной линейки преобразователей. Медицинская физика 2003; 30 (5) : 856-860.
  21. ^ Крюгер RA, Кайзер Jr WL, Рейнеке DR, Крюгер Г. А., Миллер KD. Термоакустическая оптическая молекулярная визуализация мелких животных. Molecular Imaging 2003; 2 (2) : 113-123.

https://ieeexplore.ieee.org/document/6293738/?reload=true . (nd). Получено 28 февраля 2018 г. с сайта https://ieeexplore.ieee.org/document/6293738/?reload=true.